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程序猿入门攻略（十二）——数据的存储

2022-07-02 18:21:00 【Yuan_o_】

1、数据类型介绍

C语言中基本的内置类型：

char //字符数据类型所占字节大小–>1
short //短整型所占字节大小–>2
int //整形所占字节大小–>4
long //长整型所占字节大小–>4(32位)/8(64位)
long long //更长的整形(C99) 所占字节大小–>8
float //单精度浮点数所占字节大小–>4
double //双精度浮点数所占字节大小–>8

类型的意义：

使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定使用范围）。
如何看待内存空间的视角。

1.1 类型的基本分类

整形家族：

char（字符的本质是ASCII码值，是整型）
unsigned char
signed char
short
unsigned short [int]
signed short [int]
int
unsigned int
signed int
long
unsigned long [int]
signed long [int]
long long
unsigned long long [int]
signed long long [int]

tip：其中char到底是signed char还是unsigned char标准是未定义的，取决于编译器的实现。

浮点数家族：

float
double

构造类型：（自定义类型 --> 我们可以自己创建出新的类型）

数组类型
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union

tip：数组类型：

指针类型：

int *pi;
char *pc;
float *pf;
void *pv;

空类型：

void 表示空类型（无类型）。
通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型。

//第一个void 表示函数不会返回任何值
//第二个void 表示函数不需要传任何参数
void test(void)
{
    

}
int main()
{
    
	test(1);
	return 0;
}

2、整形在内存中的存储

一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。
空间的大小是根据不同的类型而决定的。

2.1 原码、反码、补码

计算机中的整数有三种表示方法，即原码、反码和补码。
三种表示方法均有符号位和数值位两部分，符号位都是用0表示“正”，用“1”表示“负”，而数值位负整数的三种表示方法各不相同。

原码
直接将二进制按照正负数的形式翻译成二进制就可以。

反码
将原码的符号位不变，其他位依次按位取反就可以得到了。

补码
反码+1就得到补码。

正数的原、反、补码都相同。
对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储。
原因在于，使用补码，可以将符号位和数值位统一处理。
同时，加法和减法也可以统一处理（CPU只有加法器）此外，补码与原码相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。（tip：补码取反+1可以得到原码）

ep：

#include <stdio.h>
int main()
{
    
	int a = 20;
	//20
	//原码：00000000 00000000 00000000 00010100
	//16进制：0x 00 00 00 14
	//反码：00000000 00000000 00000000 00010100
	//补码：00000000 00000000 00000000 00010100

	int b = -10;
	//-10
	//原码：10000000 00000000 00000000 00001010
	//16进制：0x 80 00 00 0a
	//反码：11111111 11111111 11111111 11110101
	//16进制：0x ff ff ff f5
	//补码：11111111 11111111 11111111 11110110
	//16进制：0x ff ff ff f6

	return 0;
}

上例说明整型数据存放在内存中的是补码。

2.2 大小端介绍

什么是大小端：

大端（存储）模式，是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中；（大端字节序存储）
小端（存储）模式，是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位，保存在内存的高地址中。（小端字节序存储）

为什么会有大小端：

这是因为在计算机系统中，我们是以字节为单位的，每个地址单元都对应着一个字节，一个字节为8 bit。但是在C语言中除了8 bit的char之外，还有16 bit的short型，32 bit的long型（要看具体编译器），另外，对于位数大于8位的处理器，例如16位或者32位的处理器，由于寄存器宽度大于一个字节，那么必然存在着一个如何将多个字节排序的问题。因此就导致了大端存储模式和小端存储模式。
例如：一个16 bit的short型x，在内存中的地址为0x0010，x的值为0x1122，那么0x11为高高字节，0x22为低字节。
对于大端模式，就将0x11放在低地址中，即0x0010中，0x22放在高地址中，即0x0011中。小端模式刚好相反。
我们常用的x86结构是小端模式，而KEIL C51则为大端模式。很多ARM,DSP都为小端模式。有些ARM处理器还可以由硬件来选择是大端模式还是小端模式。

百度2015年系统工程师笔试题：

请简述大端字节序和小端字节序的概念，设计一个小程序来判断当前机器的字节序。（10分）

//方法一
#include <stdio.h>
int main()
{
    
	int a = 1;
	if (*(char*)&a == 1)
	{
    
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
    
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

//方法二
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
    
	int a = 1;
	return *(char*)&a;
}

int main()
{
    
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
    
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
    
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

ep：
指针类型存在的意义：当我们想要访问一个字节时，我们就把指针类型转化为char*，当我们想要访问两个字节时，转化为short*，当我们访问四个字节并且是浮点数类型时，转化为float*。

2.3 练习

1、

#include <stdio.h>
int main()
{
    
	char a = -1;
	signed char b = -1;
	unsigned char c = -1;
	printf("a=%d，b=%d，c=%d\n", a, b, c);
	return 0;
}

上面的代码输出什么？
解析：首先我们来了解内存中signed char和unsigned char的存储范围，有符号数signed char在内存中占一字节，8个bit位，其中第一位为符号位，0表示正数，1表示负数，如下图所示，signed char的取值范围为-128~127；无符号数unsigned char没有符号位，如下图，他的取值范围为0~255。

然后是代码在内存中具体的转换过程：（此过程中需要注意将整型数据存放到char中时会发生截断，而以整型方式打印char a时会发生整型提升）

打印结果：

tip：
当整型提升有符号数时，前面补符号位。
当整型提升无符号数时，前面补0。

2、

#include <stdio.h>
int main()
{
    
	char a = -128;
	printf("%u\n", a);
    printf("%d\n", a);
	return 0;
}

打印结果：

3、

#include <stdio.h>
int main()
{
    
	char a = 128;
	printf("%u\n", a);
	printf("%d\n", a);
	return 0;
}

与第二题同理：打印无符号数整型提升有符号数时，提升了符号位。
打印结果：

4、

#include <stdio.h>
int main()
{
    
	int i = -20;
	unsigned int j = 10;
	printf("%d\n", i + j);
	return 0;
}
//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数

5、

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main()
{
    
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
    
		printf("%u\n", i);
        Sleep(1000);//为观察方便，休眠1000毫秒
	}
	return 0;
}

输出结果：

因为定义i为无符号数，所以当i=0，再减一时，默认没有符号位，成为一个很大的数，造成死循环。

6、

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    
	char a[1000];
	int i;
	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
    
		a[i] = -1 - i;
	}
	printf("%d", strlen(a));
	return 0;
}

a[1000]是char类型，取值范围：-128~127
strlen是求字符串的长度，关注的是字符串中’\0’(ASCII码值为0)之前出现了多少字符。
当程序如上图所示循环-1,-2...-128,127,126,125...3,2,1,0碰到0就停止了。
此时a[1000]的长度为128+127=255

7、

#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
    
	for (i = 0; i <= 255; i++)
	{
    
		printf("hello world\n");
	}

	return 0;
}

因为unsigned char i的取值范围为0~255
所以i <= 255恒成立，程序死循环

8、

//错误示例：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    
	if (strlen("abc") - strlen("abcdef") >= 0)
		printf(">\n");
	else
		printf("<\n");
	return 0;
}

//修改一
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    
	if (strlen("abc") > strlen("abcdef"))
		printf(">\n");
	else
		printf("<\n");
	return 0;
}

//修改二
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    
	if ((int)strlen("abc") - (int)strlen("abcdef") >= 0)
		printf(">\n");
	else
		printf("<\n");
	return 0;
}

因为strlen的返回值是size_t类型，而size_t就是unsigned int类型，所以程序运行结果一直大于（无符号数-无符号数=无符号数）

3、浮点数在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14159
1E10（科学计数法表示）
浮点数家族包括：float、double、long double类型
浮点数表示的范围：float.h定义（整型：limits.h定义）

3.1 一个例子

浮点数存储的例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
    
	int n = 9;
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%d\n", *pFloat);

	*pFloat = 9.0;
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

输出结果：

由此可见，在内存中，整型和浮点型的存储方式是不一样的。

3.2 浮点数存储规则

num和*pFloat在内存中明明是同一个数，为什么浮点数和整数的解读结果会差这么大？
要理解这个结果，一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。
根据国际标准IEEE（电气和电子工程协会）745，任意一个二进制浮点数V可以表示成下面的形式：

(-1)^S * M * 2^E（-1的S次方乘M乘2的E次方）
(-1)^S表示符号位，当S=0，V为正数；当S=1，V为负数。
M表示有效数字，大于等于1，小于2。
2^E表示指数位。

ep：

由此可知，浮点数在内存中无法精确保存。
ep2：
十进制的-5.0，写成二进制是-101.0，相当于-1.01*2^2。那么，S=1，M=1.01，E=2。
IEEE 754规定：
对于32为的浮点数，最高的1位是符号位S，接着的8位数是指数E，剩下的23位有效数字M。

对于64位的浮点数，最高的1位是符号位S，接着的11位是指数E，剩下的52位为有效数字M。

IEEE 745对有效数字M和指数E，还有一些特别规定。
前面说过，在计算机内部保存M时，默认这个数的第一位总是1，因此可以被舍去，只保存后面的xxxxxx部分。比如保存1.01的时候，只保存01，等到读取的时候，再把第一位的1加上去。这样做的目的，是节省1位有效数字。以32位浮点数为例，留给M只有23位，将第一位的1舍去以后，等于可以保存24位有效数字。
至于指数E，情况就比较复杂。
首先，E是一个无符号整数（unsigned int）
这意味着，如果E为8位，它的取值范围为0_{255；如果E为11位，它的取值范围为0}2047。但是，我们知道，科学计数法中的E是可以出现负数的，所以IEEE 745规定，存入内存时E的真实值必须再加上一个中间数，对于8位的E，这个数是127；对于11位的E，这个中间数是1023.比如，2^10的E是10，所以保存成32位浮点数时，必须保存成10+127=137，即10001001。

然后，指数E从内存中取出还可以再分成三种情况：
E不全为0或不全为1

这时，浮点数就采用下面的规则表示，即指数E的计算值减去127（或1023），得到真实值，再将有效数字M前加上第一位的1。
比如：
0.5（1/2）的二进制形式为0.1，由于规定正数部分必须为1，即将小数点右移1位，则为1.0*2^(-1),其阶码为-1+127=126，表示为01111110，而尾数1.0去掉整数部分为0，补齐0到23位00000000000000000000000，则其二进制表示形式为：

0 01111110 0000000000000000000000

E全为0